InAs/AlSb高电子迁移率晶体管的研究进展

近几年，在毫米波范围（30～300GHz）的应用有很大提高，这就要求器件的操作频率大于100GHz。HBT和HEMT应用而生，它们的操作频率较高。目前，HEMT器件的操作频率高于其他晶体管。在过去的三十年，各种材料系统被研究，HEMT器件也经历了重大的发展。表1.2总结了GaAs基HEMT，InP HEMT以及InAsHEMT之间的性能参数。随着In的含量从0增加到100%，禁带宽度从1.42eV较少到0.36eV，同时有效质量从0.067m0减少到0.023m0。而有效质量的减少直接影响了半导体材料中电子的低场迁移率，300K时，施主掺杂浓度Nd=1×1017cm-3时，GaAs材料的电子迁移率是4600cm2／Vs，而InAs材料的电子迁移率高达16000 cm2／Vs。电子迁移率的提高直接降低了半导体器件的导通电阻（Access resistances）的降低，最终提高了器件的工作速度。

表1.2　HEMT的2DEG 材料基础特性

AlSb和In As材料之间有1.35 eV 的导带带阶，这个导带带阶的值是Ⅲ-Ⅴ族材料中最大的，这样InAs／AlSb之间形成很深的量子阱使得In As阱中电子浓度很大，比GaAs／AlGa As and InGaAs／InAlAs HEMT 器件的量子阱中电子浓度都大。电子迁移率和面密度是提高HEMT 器件性能的关键参数，从图1.7中也可以看到InAs／AlSb HEMT 比GaAs基HEMT，InP HEMT电子迁移率和面载流子浓度都高，这样In As／AlSb HEMT器件在高电子迁移率、高频、低功耗等方面非常有优势，同时也有巨大的潜力。

图1.7　Ga As衬底上的In As／AlSb HEMT 器件和其他HEMT 器件参数对比

1979年，Dingle和Coworkers第一次研制成功调制注入的高迁移率异质结超晶格。1980 年，HEMT 器件被Dr.Takashi Mimura创造和研发。从此以后，HEMT 器件经历了飞速发展。AlGa As／Ga As异质结被首次研究，忽略晶格失配，生长出高质量的材料系统。早期研究的重点是通过提高AlGa As材料的注入效率来提高2DEG 浓度，从而提高跨导和截止频率。后来发现提高电子迁移率不能直接提高器件性能，因为InGa As层低速寄生电荷降低HEMT 器件速度和驱动电流的能力。提高导带带阶，或者减小空间势垒层的厚度可以提高2DEG 浓度。在Ga As上生长InGa As作为沟道材料的赝配HEMT 就是通过提高导带的不连续性来增加2DEG 浓度。InP基InAlAs／InGaAs HEMTs 器件提高了沟道的导电性，2DEG 浓度也高于AlGaAs／GaAs HEMT 器件。首次 报 道1.2 μm 栅 长InP 衬 底 的InAl As／InGaAs HEMTs 截止频率22 GHz，已经比相同栅长的AlGaAs／GaAs HEMT 器件提高20%～30%。1988年，InP 基HEMT 的电流增益截止频率f T超过了200 GHz，1992年超过了340 GHz。(www.xing528.com)

1987年，第一个In As／AlSb HEMT 晶体管由Tuttle等人制造。电子迁移率和面密度是提高HEMT 器件性能的关键参数，当电子的迁移率和速度没有重大提高时，InGaAs／AlGaAs PHEMT 采用调制掺杂实现了高频性能的提高。同样对InAs／AlSb HEMT 器件外延材料的生长，调制掺杂用Si和Te都是可行的。Si掺杂的优点是MBE 系统中最常用到的，需要很低的气压，资源损耗问题被克服。Si掺杂的缺点是InAs沟道和调制掺杂层之间的生长温度被要求降低。掺Te的优点是只需要恒定的温度，不需要变温，Te在AlSb中是施主杂质。In As／AlSb HEMT（Ns=8.0×1012 cm-2，μ=19，000 cm2／Vs）器件的沟道面电导（The channel sheet conductivity）是InP基HEMT 的4倍，这表明In As／AlSb HEMT 在低漏电压下的高速操作（或者高频低功耗方面）有很大的潜力。

1992年，随着分立器件到集成电路的发展，在40GB／s光纤通信系统发展的要求IC制造中器件的栅长从150 nm 减小到100 nm。特别是，在Ga As衬底上制作的异质结In Al As／InGa As高电子迁移率晶体管MHEMT 也发展起来。

2000年，电子束光刻发展起来，HEMT 器件的栅长减小到100 nm 以下，开启了高速器件和电路发展之路。25nm 栅长In0.7Ga0.7As沟道材料的HEMT，室温下截止频率fT达到562GHz。GaAs衬底上35nm 的T 型栅In0.52Al0.48As／In0.53Ga0.47AsMHEMT 的fT 达到440GHz并且fmax是520 GHz。2007年，IEDM 报道35nm 栅长的这种材料系统的最高振荡频率fmax超过1THz。

台面隔离工艺中，Al（Ga）Sb 缓冲层易氧化，造成器件的不稳定。G.Moschetti等人采用2次钝化的方法，用SiNx钝化了Al（Ga）Sb，这种方法能避免缓冲层氧化，提高HEMT 器件的性能。接着该组用Ar离子注入实现InAs／AlSbHEMT 器件隔离，这个方法不用台面的刻蚀，避免了AlGaSb层氧化问题，制备的器件在Vds=0.3V，饱和漏极电流Ids是900mA／mm，截止频率是210GHz。

InAs／AlSbHEMT 器件和电路的研究开始于20世纪初。在制备性能好的器件外延材料，优化器件制造工艺和提高器件可靠性等方面取得很大发展。同时InAs／AlSb HEMT X 波段低噪声放大器微波单片集成电路（MMIC）在17GHz下Nf=0.82dB，Ga=17dB，其微波性能可与同类GaAs MMIC相比，而其功耗仅为GaAs电路功耗的十分之一。

国内在锑基化合物半导体器件的研究主要是红外探测器方面。关于InAs／AlSbHEMT 器件和电路的报道很少。中科院半导体所采用MBE 技术生长了GaSb薄膜，并进行相关电特性研究。王娟等人采用MBE 方法生长了InAs和AlSb超晶格。西安电子科技大学崔强生等人对InAs／AlSb HEMT 的相关工艺展开探索。随着太赫兹技术的进步，航天太空技术的发展，国内近几年对低功耗，超高速和低噪声的器件和电路需求越来越强烈。为了使得我国航天航空核心元器件的国产化，我们必须自主研发相关的技术，这也进一步意味着国内展开对InAs／AlSbHEMT 器件及电路研究的紧迫性。